基于蒙特卡洛方法的電子束輻照新鮮葡萄劑量分布模擬研究

王翠平 沈文梅

(河北建筑工程學(xué)院理學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

據(jù)FAO統(tǒng)計，葡萄是全球種植面積最大的一種水果，它產(chǎn)量位居前三位，隨著社會進步和人們生活水平提高,對鮮食葡萄的需求量是越來越大.由于葡萄柔軟多汁、含水量很高,很容易因為受到病菌浸染而腐爛變質(zhì).這給鮮食葡萄的貯藏、運輸、延長銷售時間等都帶來不少困難,造成很大的經(jīng)濟損失.據(jù)估計，在全世界范圍內(nèi).每年大約有27%左右的葡萄因采后腐爛而損失.因此,研究葡萄貯藏保鮮技術(shù),滿足市場需求這一課題具有重要意義.

傳統(tǒng)的食品貯藏加工技術(shù)，如加熱滅菌、藥劑熏蒸、添加防腐劑等，不僅會破壞食品原有的結(jié)構(gòu)，影響食品特有的口感與風(fēng)味，而且還會對食品造成化學(xué)污染，危害人體健康.輻照作為一種冷殺菌技術(shù)，在處理過程中引起食品內(nèi)部溫度變化極小，國內(nèi)外學(xué)者對其開展了廣泛的研究.目前應(yīng)用最多的是gamma射線輻照，以Co60作為輻照源，其穿透力強，可以有效地殺滅食品中的細菌.但是近年來，由于放射源丟失造成的放射性污染、核泄漏等問題，導(dǎo)致了多起安全事故的發(fā)生，gamma射線輻照的安全問題受到越來越多的重視.電子束輻照加工技術(shù)[1]中的高能電子束產(chǎn)生和消失通過電子加速器的開關(guān)控制，和gamma輻照相比不存在放射性污染、核泄漏等問題，是一種理想的gamma射線輻照替代技術(shù).電子束輻照加工技術(shù)不僅可以徹底殺滅病原微生物，最大限度的保持食品品質(zhì)，而且可以減少不良風(fēng)味對食品的影響，延長貨架期[2].因此得到越來越多的國家以及國際組織的關(guān)注[3].

保證產(chǎn)品的有效吸收劑量和輻照劑量的均勻度[4]是確保輻照產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，所以在開展電子束加工前，需要對被輻照物吸收劑量做出準(zhǔn)確的理論估算，才能避免實驗的盲目性[5].計算電子束在材料中的吸收劑量及其他相關(guān)的參數(shù)，實際上就是解決電子在介質(zhì)中的輸運問題.本文用蒙特卡洛模擬程序包-GEANT4[6]研究了電子束輻照新鮮葡萄的劑量分布，計算分析了鮮食葡萄電子束輻照滅菌的各項參數(shù)對輻照效果的影響.

1 計算方法

1.1 Geant4

Geant4是由CERN(歐洲核子研究組織)開發(fā)的基于C++面向?qū)ο蠹夹g(shù)的蒙特卡洛應(yīng)用程序包，用于模擬粒子在物質(zhì)中輸運的物理過程.相對于MCNP、EGS等商業(yè)軟件來說,它的主要優(yōu)點是源代碼完全開放,用戶可以根據(jù)自己的實際需要更改、擴充Geant4程序.由于具有良好的通用性和擴展能力，Geant4軟件在涉及微觀粒子與物質(zhì)相互作用的諸多領(lǐng)域包括高能物理，空間科學(xué)、輻射醫(yī)學(xué)等方面獲得了廣泛應(yīng)用.自1999年發(fā)布以來，Geant4已被多個大型的高能物理實驗組所采用,其模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性也得到了嚴(yán)格的檢驗.粒子輸運過程的蒙特卡洛模擬是一種物理事實的逼真模擬：粒子按照程序描述的源分布而產(chǎn)生，穿過一定的距離，在輸運的過程中根據(jù)程序設(shè)置的各種相互作用截面而發(fā)生碰撞和散射，損失一定的能量，改變運動方向或產(chǎn)生新的粒子.這個過程將一直進行下去，直到所有粒子被吸收(能量損失到一個特定值以下)或穿出研究區(qū)域為止.

1.2 計算條件

在使用GEANT4程序包進行模擬計算時，一是要對模擬對象的材質(zhì)進行描述，二是要對模擬對象的幾何結(jié)構(gòu)進行描述.描述模擬對象的材質(zhì)的參數(shù)包括：密度、組成元素的種類和數(shù)目、以及化合物中各原子數(shù)目比或者混合物中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù).本文所模擬的鮮食葡萄簡化為80%水和20%葡萄糖組成的混合物，以方便計算.計算空間為笛卡爾坐標(biāo)系，分別在X、Y和Z坐標(biāo)方向?qū)⑹茌椪詹牧蟿澐殖稍S多小格，劃分的間隔在三個方向均可不同，最后可以形成一個由許多小立體元組成的矩形幾何體.出射面呈矩形分布的平行電子束可以任意角度入射到材料表面，電子束的能量可以按程序要求進行調(diào)節(jié).在經(jīng)過數(shù)量足夠多的蒙特卡洛模擬抽樣計算后，將得到在每一個小立體元內(nèi)沉積的絕對能量值.根據(jù)這些能量值就可得到被照射材料中任意方向的劑量分布.在本模擬程序中假設(shè)受照材料的大小為11 cm×5 cm×5 cm，在X、Y方向每小格邊長為1 cm，而Z方向每小格為0.1 cm，共分成6050個小立體元，不同能量的電子束垂直于X-Y平面入射.通過計算電子束在每個小立體元中沉積的能量以及每個小立體元的質(zhì)量即可計算出每個小立體元的吸收劑量.根據(jù)各點的吸收劑量，找出吸收劑量的最大值Dmax和最小值Dmin,按照公式U=Dmax/Dmin計算吸收劑量的不均勻度.

2 計算結(jié)果及討論

2.1 計算結(jié)果

圖1給出了能量為1MeV-9MeV的電子束輻照下葡萄等效物的吸收劑量深度分布曲線，即電子束沉積能量隨輻照物厚度的分布.圖2給出了9MeV電子束輻照下第一層的三維劑量分布，即電子束輻照下同一深度平面劑量分布.

圖1 不同能量的電子束

圖2 9MeV電子束輻照下同一深度平面劑量分布

2.2 結(jié)果分析

由圖1可見，電子束在受照葡萄等效物質(zhì)中的吸收劑量先隨深度增長到一極大值，而后隨深度遞減.造成這個現(xiàn)象的主要原因是電子束輻照到葡萄表面會發(fā)生散射，電子被散射到空氣中的概率較大，而空氣密度很低，散射回來的電子束較少，所以在此區(qū)域內(nèi)吸收劑量偏低.所以由于次級電子的作用，在靠近輻照物質(zhì)表面的淺層內(nèi)，吸收劑量隨深度的增加而增大.直到某一深度電子的增加與因衰減而使電子釋出的數(shù)目相等時，吸收劑量達到極大值.此后，隨物質(zhì)層深度增加，電子的釋出占優(yōu)勢，吸收劑量逐漸減少.從圖1中還可以看到對同一種輻照物質(zhì)，隨著電子束能量增大，輻照深度也隨之增加.圖2表明在輻照物質(zhì)的同一深度平面劑量分布是均勻的，在輻照過程中由這一因素分布引起的對輻照不均勻性的影響很小，可以不予考慮.

3 討 論

一定能量的電子束對于特定的輻照物質(zhì)來說，就對應(yīng)于一個最優(yōu)的輻照厚度，作為輻射工藝設(shè)計的基礎(chǔ)，一般推薦采用輻照產(chǎn)品前表面的入射劑量等于產(chǎn)品后表面上的出射劑量時所對應(yīng)的產(chǎn)品厚度為最佳輻照加工厚度.輻照電子束能量越高，對應(yīng)的最佳輻照加工厚度越大，從提高輻照效率方面考慮，可以選擇較高能量的電子束進行輻照.同時還要對電子束入射角度、擺放方式等進行合理的優(yōu)化，以期既確保滅菌效果，又盡量避免無效的能量損失.利用以上規(guī)律，并進行精確的理論估算，對于后續(xù)的優(yōu)化輻照工藝將起到積極的作用.

參 考 文 獻

[1]劉敏，謝晶，韓志.非熱技術(shù)在果蔬保鮮體系中的應(yīng)用[J].包裝與食品機械，2007,25(1):47～50,53

[2]彭發(fā)青，趙艷麗，胡加彬,等.水果的除害處理技術(shù)及其發(fā)展前景[J].植物檢疫，2001,15(6):363～367

[3]孔秋蓮，岳玲，戚文元,等.電子束輻照乳酸鈣殺菌效果的研究[J].輻射研究與輻射工藝學(xué)報，2011,29(1):43～47

[4]Mclaughlin W L，Miller A，F(xiàn)idan S et al.Radiat Phys Chem,1977,10:119～127

[5]張達明，張利民.兩種聚乙烯材料中的電子束輻照劑量分布測定-優(yōu)化輻射加工工藝的一種實驗方法[J].輻射研究與輻射工藝學(xué)報，2000,18(4):272～277

[6]www.geant4.cern.ch